日本語AIでPubMedを検索
選択的レーザー溶融法で作製した頸部インプラントの圧縮軸荷重実験と数値シミュレーションの比較．
A Comparison of Experimental Compressive Axial Loading Testing with a Numerical Simulation of Topologically Optimized Cervical Implants Made by Selective Laser Melting.
PMID: 32673686 DOI: 10.1016/j.jbiotec.2020.07.010.
抄録
近年、頸椎インターベンションの件数が増加しています。頸椎インターベンションでは、応力遮蔽効果が重大な合併症となっている。トポロジカル最適化は、有限要素法による構造解析と数値シミュレーションに基づいて行われている。生成された頚椎インプラントのデザインは、選択的レーザー溶融によりTi6Al4V粉末から作られ、最適化されたケージは圧縮軸方向の荷重について数値的に試験され、その結果は実験的な測定と比較されている。有限要素法ツールを用いた構造解析の分野における付加製造技術と新しいソフトウェアの可能性は、臨床に役立つインプラントのトポロジカル最適化を実行するのに役立ちます。従来の製造技術では不可能であったインプラントの内部構造。また、インプラントの設計を変更した後のインプラントは、その材料や生体力学的特性に関して、頸椎領域の厳格な適用基準を満たさなければならない。本研究の目的は、トポロジカル最適化によって応力遮蔽効果の臨床的な懸念に対処するために、頸椎椎椎間ケージの機械的特性を改変することであった。頚椎インプラントの圧縮軸方向荷重数値シミュレーションの方法論を作成し、その後、選択的レーザー溶融プロセスを経て実際の材料特性を得るための実験試験を行った。その結果、最適化されたインプラントの重量は28.92%減少した。トポロジカルに最適化された設計の実験と数値シミュレーションの結果、ソリッドケージ設計と比較して10倍の剛性低下が見られ、実験結果から最適化された構造の実質降伏強度は843.8MPaであった。
In recent years, the number of cervical interventions has increased. The stress shielding effect is a serious complication in cervical spine interventions. Topological optimization is based on finite element method structural analysis and numerical simulations. The generated design of cervical implants is made from Ti6Al4V powder by selective laser melting while the optimized cage is numerically tested for compressive axial loading and the results are compared with experimental measurement. Additive manufacturing technologies and new software possibilities in the field of structural analysis, which use the finite element method tools, help to execute implant topological optimization that is useful for clinical practice. The inner structures of the implant would be impossible to make by conventional manufacturing technologies. The resulting implant design, after modification, must fulfill strict application criteria for the area of cervical spine with respect to its material and biomechanical properties. The aim of this work was to alter the mechanical properties of the cervical intervertebral cage to address the clinical concern of the stress shielding effect by topological optimization. A methodology of cervical implant compressive axial loading numerical simulation was created, and subsequent experimental testing was done to obtain real material properties after a selective laser melting process. The weight of the optimized implant was reduced by 28.92%. Results of the experimental testing and numerical simulation of topologically optimized design showed 10-times lower stiffness compared to the solid cage design, and the real yield strength of the optimized structure is 843.8 MPa based on experimental results.
Copyright © 2020. Published by Elsevier B.V.